Cum se măsoară eficiența? Principiul de funcționare al motoarelor termice

Informații teoretice de bază

Munca mecanica

Caracteristicile energetice ale mișcării sunt introduse pe baza conceptului muncă mecanică sau muncă de forță. Munca efectuată de o forță constantă F, este o mărime fizică egală cu produsul dintre forța și modulul de deplasare înmulțit cu cosinusul unghiului dintre vectorii forței Fși mișcări S:

Munca este o mărime scalară. Poate fi fie pozitiv (0° ≤ α < 90°), так и отрицательна (90° < α ≤ 180°). La α = 90° munca efectuată de forță este zero. În sistemul SI, munca este măsurată în jouli (J). Un joule este egal cu munca efectuată de o forță de 1 newton pentru a se deplasa cu 1 metru în direcția forței.

Dacă forța se schimbă în timp, atunci pentru a găsi munca, construiți un grafic al forței în funcție de deplasare și găsiți aria figurii de sub grafic - aceasta este munca:

Un exemplu de forță al cărei modul depinde de coordonată (deplasare) este forța elastică a unui arc, care respectă legea lui Hooke ( F control = kx).

Putere

Lucrul efectuat de o forță pe unitatea de timp se numește putere. Putere P(uneori notat cu litera N) – mărime fizică egală cu raportul de lucru A la o perioadă de timp t timp in care s-a finalizat aceasta lucrare:

Această formulă calculează putere medie, adică putere care caracterizează în general procesul. Deci, munca poate fi exprimată și în termeni de putere: A = Pt(dacă, desigur, se cunosc puterea și timpul de a face lucrarea). Unitatea de putere se numește watt (W) sau 1 joule pe secundă. Dacă mișcarea este uniformă, atunci:

Folosind această formulă putem calcula putere instantanee(putere in acest moment timp), dacă în loc de viteză înlocuim valoarea vitezei instantanee în formulă. De unde știi ce putere să numere? Dacă problema cere putere la un moment dat în timp sau la un moment dat în spațiu, atunci este considerată instantanee. Dacă întreabă despre puterea pe o anumită perioadă de timp sau pe o parte a traseului, atunci caută puterea medie.

Eficiență – factor de eficiență, este egal cu raportul dintre munca utilă și cheltuită sau puterea utilă și cheltuită:

Ce muncă este utilă și care este irosită este determinată din condițiile unei sarcini specifice prin raționament logic. De exemplu, dacă o macara face munca de a ridica o încărcătură la o anumită înălțime, atunci munca utilă va fi munca de ridicare a sarcinii (deoarece în acest scop a fost creată macaraua), iar munca cheltuită va fi munca efectuată de motorul electric al macaralei.

Deci, puterea utilă și consumată nu au o definiție strictă și sunt găsite prin raționament logic. În fiecare sarcină, noi înșine trebuie să stabilim care a fost în această sarcină scopul de a face munca (muncă utilă sau putere) și care a fost mecanismul sau modalitatea de a face toată munca (putere cheltuită sau muncă).

În general, eficiența arată cât de eficient un mecanism convertește un tip de energie în altul. Dacă puterea se modifică în timp, atunci munca se găsește ca aria figurii sub graficul puterii în funcție de timp:

Energie kinetică

Se numește o mărime fizică egală cu jumătate din produsul masei unui corp și pătratul vitezei acestuia energia cinetică a corpului (energia mișcării):

Adică, dacă o mașină care cântărește 2000 kg se mișcă cu o viteză de 10 m/s, atunci are energie cinetică egală cu E k = 100 kJ și este capabil să facă 100 kJ de lucru. Această energie se poate transforma în căldură (atunci când o mașină frânează, anvelopele roților, drumul și discurile de frână se încălzesc) sau poate fi cheltuită pentru deformarea mașinii și a caroseriei cu care se ciocnește mașina (într-un accident). Când se calculează energia cinetică, nu contează unde se mișcă mașina, deoarece energia, ca și munca, este o mărime scalară.

Un corp are energie dacă poate lucra. De exemplu, un corp în mișcare are energie cinetică, adică energie de mișcare și este capabil să lucreze pentru a deforma corpurile sau pentru a oferi accelerație corpurilor cu care are loc o coliziune.

Sensul fizic energie cinetică: pentru ca un corp în repaus cu o masă m a început să se miște cu viteză v este necesar să se facă un lucru egal cu valoarea obținută a energiei cinetice. Dacă corpul are o masă m se mișcă cu viteză v, apoi pentru a o opri este necesar să faceți un lucru egal cu energia sa cinetică inițială. La frânare, energia cinetică este în principal (cu excepția cazurilor de impact, când energia ajunge la deformare) „înlăturată” de forța de frecare.

Teorema energiei cinetice: munca forței rezultante este egală cu modificarea energiei cinetice a corpului:

Teorema energiei cinetice este valabilă și în cazul general, când un corp se mișcă sub influența unei forțe în schimbare, a cărei direcție nu coincide cu direcția de mișcare. Este convenabil să se aplice această teoremă în problemele care implică accelerarea și decelerația unui corp.

Energie potențială

Împreună cu energia cinetică sau energia mișcării în fizică rol important joacă concept energia potenţială sau energia de interacţiune a corpurilor.

Energia potențială este determinată de poziția relativă a corpurilor (de exemplu, poziția corpului față de suprafața Pământului). Conceptul de energie potențială poate fi introdus doar pentru forțele a căror activitate nu depinde de traiectoria corpului și este determinată doar de pozițiile inițiale și finale (așa-numitele forțe conservatoare). Munca efectuată de astfel de forțe pe o traiectorie închisă este zero. Această proprietate este deținută de gravitație și forță elastică. Pentru aceste forțe putem introduce conceptul de energie potențială.

Energia potențială a unui corp în câmpul gravitațional al Pământului calculat prin formula:

Semnificația fizică a energiei potențiale a unui corp: energia potențială este egală cu munca efectuată de gravitație atunci când corpul este coborât nivel zero (h– distanța de la centrul de greutate al corpului până la nivelul zero). Dacă un corp are energie potențială, atunci este capabil să lucreze atunci când acest corp cade de la înălțime h la nivelul zero. Lucrul efectuat de gravitație este egal cu modificarea energiei potențiale a corpului, luată cu semnul opus:

Adesea, în problemele energetice, trebuie să găsim munca de a ridica (întoarcerea, ieșirea dintr-o gaură) a corpului. În toate aceste cazuri, este necesar să se ia în considerare mișcarea nu a corpului în sine, ci doar a centrului său de greutate.

Energia potențială Ep depinde de alegerea nivelului zero, adică de alegerea originii axei OY. În fiecare problemă, nivelul zero este ales din motive de comoditate. Ceea ce are o semnificație fizică nu este energia potențială în sine, ci schimbarea acesteia atunci când un corp trece dintr-o poziție în alta. Această modificare este independentă de alegerea nivelului zero.

Energia potențială a unui arc întins calculat prin formula:

Unde: k– rigiditatea arcului. Un arc extins (sau comprimat) poate pune în mișcare un corp atașat de el, adică poate conferi energie cinetică acestui corp. În consecință, un astfel de izvor are o rezervă de energie. Tensiune sau compresie X trebuie calculată din starea neformată a corpului.

Energia potențială a unui corp deformat elastic este egală cu munca efectuată de forța elastică în timpul trecerii de la o stare dată la o stare cu deformare zero. Dacă în starea inițială arcul era deja deformat, iar alungirea lui a fost egală cu X 1, apoi la trecerea la o nouă stare cu alungire X 2, forța elastică va face un lucru egal cu modificarea energiei potențiale, luată cu semnul opus (deoarece forța elastică este întotdeauna îndreptată împotriva deformării corpului):

Energia potențială în timpul deformării elastice este energia de interacțiune a părților individuale ale corpului între ele prin forțe elastice.

Lucrul forței de frecare depinde de calea parcursă (acest tip de forță, al cărei lucru depinde de traiectorie și calea parcursă se numește: forțe disipative). Conceptul de energie potențială pentru forța de frecare nu poate fi introdus.

Eficienţă

Factorul de eficiență (eficiență)– caracteristică eficienței unui sistem (dispozitiv, mașină) în raport cu conversia sau transmiterea energiei. Este determinată de raportul dintre energia utilizată util și cantitatea totală de energie primită de sistem (formula a fost deja dată mai sus).

Eficiența poate fi calculată atât prin muncă, cât și prin putere. Munca (puterea) utilă și cheltuită este întotdeauna determinată de un raționament logic simplu.

La motoarele electrice, randamentul este raportul dintre munca mecanica efectuata (utila) si energia electrica primita de la sursa. În motoarele termice, raportul dintre munca mecanică utilă și cantitatea de căldură consumată. În transformatoarele electrice, raportul dintre energia electromagnetică primită în înfășurarea secundară și energia consumată de înfășurarea primară.

Datorită generalității sale, conceptul de eficiență face posibilă compararea și evaluarea unor astfel de sisteme diferite ca reactoare nucleare, generatoare și motoare electrice, centrale termice, dispozitive semiconductoare, obiecte biologice etc.

Din cauza pierderilor de energie inevitabile datorate frecării, încălzirii corpurilor înconjurătoare etc. Eficiența este întotdeauna mai mică decât unitate.În consecință, eficiența este exprimată ca o fracțiune din energia cheltuită, adică ca o fracție proprie sau ca procent, și este o cantitate adimensională. Eficiența caracterizează cât de eficient funcționează o mașină sau un mecanism. Eficiență termică centralele electrice ajunge la 35–40%, motoare combustie interna cu supraalimentare și prerăcire - 40–50%, dinamuri și generatoare de mare putere - 95%, transformatoare - 98%.

O problemă în care trebuie să găsești eficiența sau se știe, trebuie să începi cu un raționament logic - care muncă este utilă și care este irosită.

Legea conservării energiei mecanice

Energie mecanică totală se numește suma energiei cinetice (adică energia mișcării) și potențialului (adică energia interacțiunii corpurilor prin forțele gravitației și elasticității):

Dacă energia mecanică nu se transformă în alte forme, de exemplu, în energie internă (termică), atunci suma energiei cinetice și potențiale rămâne neschimbată. Dacă energia mecanică se transformă în energie termică, atunci modificarea energiei mecanice este egală cu munca forței de frecare sau pierderile de energie, sau cantitatea de căldură eliberată și așa mai departe, cu alte cuvinte, modificarea energiei mecanice totale este egală. la munca forțelor externe:

Suma energiei cinetice și potențiale a corpurilor care alcătuiesc un sistem închis (adică unul în care nu acționează forțe externe, iar munca lor este în mod corespunzător zero) și forțele gravitaționale și elastice care interacționează între ele rămâne neschimbată:

Această afirmație exprimă legea conservării energiei (LEC) în procesele mecanice. Este o consecință a legilor lui Newton. Legea conservării energiei mecanice este îndeplinită numai atunci când corpurile dintr-un sistem închis interacționează între ele prin forțe de elasticitate și gravitație. În toate problemele legate de legea conservării energiei vor exista întotdeauna cel puțin două stări ale unui sistem de corpuri. Legea prevede că energia totală a primei stări va fi egală cu energia totală a celei de-a doua stări.

Algoritm pentru rezolvarea problemelor cu privire la legea conservării energiei:

1. Găsiți punctele poziției inițiale și finale a corpului.
2. Scrieți ce sau ce energii are corpul în aceste puncte.
3. Echivalează energia inițială și cea finală a corpului.
4. Adăugați alte ecuații necesare din subiectele anterioare de fizică.
5. Rezolvați ecuația rezultată sau sistemul de ecuații folosind metode matematice.

Este important de menționat că legea conservării energiei mecanice a făcut posibilă obținerea unei relații între coordonatele și vitezele unui corp în două puncte diferite traiectorii fără a analiza legea mișcării corpului în toate punctele intermediare. Aplicarea legii conservării energiei mecanice poate simplifica foarte mult rezolvarea multor probleme.

În condiții reale, corpurile în mișcare sunt aproape întotdeauna acționate, împreună cu forțele gravitaționale, forțele elastice și alte forțe, de forțe de frecare sau forțe de rezistență a mediului. Munca efectuată de forța de frecare depinde de lungimea traseului.

Dacă forțele de frecare acționează între corpurile care alcătuiesc un sistem închis, atunci energia mecanică nu este conservată. O parte din energia mecanică este transformată în energie internă a corpurilor (încălzire). Astfel, energia în ansamblu (adică nu numai mecanică) este conservată în orice caz.

În timpul oricărei interacțiuni fizice, energia nu apare și nici nu dispare. Se schimbă doar de la o formă la alta. Acest fapt stabilit experimental exprimă o lege fundamentală a naturii - legea conservării și transformării energiei.

Una dintre consecințele legii conservării și transformării energiei este afirmația despre imposibilitatea creării „ mașină cu mișcare perpetuă„(perpetuum mobile) – o mașină care ar putea lucra la nesfârșit fără a consuma energie.

Diverse sarcini pentru muncă

Dacă problema necesită găsirea unei lucrări mecanice, atunci selectați mai întâi o metodă pentru a o găsi:

1. Un loc de muncă poate fi găsit folosind formula: A = FS∙cos α . Găsiți forța care efectuează lucrul și cantitatea de deplasare a corpului sub influența acestei forțe în cadrul de referință ales. Rețineți că unghiul trebuie ales între vectorii forță și deplasare.
2. Munca efectuată de o forță externă poate fi găsită ca diferență de energie mecanică în situațiile finale și inițiale. Energia mecanică este egală cu suma energiilor cinetice și potențiale ale corpului.
3. Munca făcută pentru a ridica un corp cu o viteză constantă poate fi găsită folosind formula: A = mgh, Unde h- inaltimea la care se ridica centrul de greutate al corpului.
4. Munca poate fi găsită ca produs al puterii și timpului, adică. dupa formula: A = Pt.
5. Lucrarea poate fi găsită ca aria figurii sub graficul forței față de deplasare sau puterii față de timp.

Legea conservării energiei și dinamica mișcării de rotație

Problemele acestui subiect sunt destul de complexe din punct de vedere matematic, dar dacă cunoașteți abordarea, ele pot fi rezolvate folosind un algoritm complet standard. În toate problemele va trebui să luați în considerare rotația corpului în plan vertical. Soluția se va reduce la următoarea secvență de acțiuni:

1. Trebuie să determinați punctul de care sunteți interesat (punctul în care trebuie să determinați viteza corpului, forța de tensionare a firului, greutatea și așa mai departe).
2. Scrieți a doua lege a lui Newton în acest punct, ținând cont de faptul că corpul se rotește, adică are accelerație centripetă.
3. Notați legea conservării energiei mecanice astfel încât să conțină viteza corpului în acel punct foarte interesant, precum și caracteristicile stării corpului într-o stare despre care se știe ceva.
4. În funcție de condiție, exprimați viteza la pătrat dintr-o ecuație și înlocuiți-o în cealaltă.
5. Efectuați restul operațiilor matematice necesare pentru a obține rezultatul final.

Când rezolvați probleme, trebuie să rețineți că:

• Condiția pentru depășirea punctului de sus atunci când se rotește pe un filet la o viteză minimă este forța de reacție a suportului N la punctul de sus este 0. Aceeași condiție este îndeplinită la trecerea punctului de sus al buclei moarte.
• Când se rotește pe o tijă, condiția pentru trecerea întregului cerc este: viteza minimă în punctul de sus este 0.
• Condiția pentru separarea unui corp de suprafața sferei este ca forța de reacție a suportului în punctul de separare să fie zero.

Ciocniri inelastice

Legea conservării energiei mecanice și legea conservării impulsului fac posibilă găsirea de soluții la problemele mecanice în cazurile în care forțele care acționează sunt necunoscute. Un exemplu de acest tip de problemă este interacțiunea de impact a corpurilor.

Prin impact (sau coliziune) Se obișnuiește să se numească o interacțiune pe termen scurt a corpurilor, în urma căreia vitezele lor experimentează schimbări semnificative. În timpul unei coliziuni de corpuri, între ele acționează forțe de impact pe termen scurt, a căror magnitudine, de regulă, este necunoscută. Prin urmare, este imposibil să se ia în considerare interacțiunea impact direct folosind legile lui Newton. Aplicarea legilor de conservare a energiei și a impulsului face posibilă excluderea în sine a procesului de coliziune din considerare și obținerea unei legături între vitezele corpurilor înainte și după ciocnire, ocolind toate valorile intermediare ale acestor cantități.

De multe ori trebuie să ne confruntăm cu impactul interacțiunii corpurilor în viața de zi cu zi, în tehnologie și în fizică (în special în fizica atomului și particule elementare). În mecanică, sunt adesea folosite două modele de interacțiune a impactului - impacturi absolut elastice și absolut inelastice.

Impact absolut inelastic Ei numesc această interacțiune de impact în care corpurile se conectează (se lipesc împreună) unele cu altele și merg mai departe ca un singur corp.

Într-o coliziune complet inelastică, energia mecanică nu este conservată. Se transformă parțial sau complet în energia internă a corpurilor (încălzire). Pentru a descrie orice impact, trebuie să scrieți atât legea conservării impulsului, cât și legea conservării energiei mecanice, ținând cont de căldura degajată (este foarte recomandabil să faceți mai întâi un desen).

Impact absolut elastic

Impact absolut elastic numită ciocnire în care se conservă energia mecanică a unui sistem de corpuri. În multe cazuri, ciocnirile de atomi, molecule și particule elementare respectă legile impactului absolut elastic. Cu un impact absolut elastic, împreună cu legea conservării impulsului, legea conservării energiei mecanice este îndeplinită. Un exemplu simplu O coliziune perfect elastică poate fi un impact central al a două bile de biliard, dintre care una era în repaus înainte de coliziune.

Grevă centrală bile se numește o coliziune în care vitezele bilelor înainte și după impact sunt direcționate de-a lungul liniei de centre. Astfel, folosind legile de conservare a energiei mecanice și a impulsului, este posibil să se determine vitezele bilelor după o coliziune dacă sunt cunoscute vitezele lor înainte de coliziune. Impactul central este foarte rar implementat în practică, mai ales când vine vorba de ciocniri de atomi sau molecule. Într-o coliziune elastică non-centrală, vitezele particulelor (bilelor) înainte și după ciocnire nu sunt direcționate într-o singură linie dreaptă.

Un caz special de impact elastic în afara centrului poate fi ciocnirea a două bile de biliard de aceeași masă, dintre care una era nemișcată înainte de ciocnire, iar viteza celei de-a doua nu a fost direcționată de-a lungul liniei centrelor bilelor. . În acest caz, vectorii viteză ai bilelor după o coliziune elastică sunt întotdeauna direcționați perpendicular unul pe celălalt.

Legile de conservare. Sarcini complexe

Corpuri multiple

În unele probleme privind legea conservării energiei, cablurile cu care sunt deplasate anumite obiecte pot avea masă (adică să nu fie lipsite de greutate, așa cum s-ar putea să fii deja obișnuit). În acest caz, trebuie luată în considerare și munca de mutare a unor astfel de cabluri (și anume centrele lor de greutate).

Dacă două corpuri legate printr-o tijă fără greutate se rotesc într-un plan vertical, atunci:

1. alegeți un nivel zero pentru a calcula energia potențială, de exemplu la nivelul axei de rotație sau la nivelul celui mai jos punct al uneia dintre greutăți și asigurați-vă că faceți un desen;
2. notează legea conservării energiei mecanice, în care în partea stângă scriem suma energiei cinetice și potențiale a ambelor corpuri în situația inițială, iar în partea dreaptă scriem suma energiei cinetice și potențiale a ambele organe în situația finală;
3. luați în considerare că vitezele unghiulare ale corpurilor sunt aceleași, atunci vitezele liniare ale corpurilor sunt proporționale cu razele de rotație;
4. dacă este necesar, notați a doua lege a lui Newton pentru fiecare dintre corpuri separat.

Shell a izbucnit

Când un proiectil explodează, se eliberează energie explozivă. Pentru a găsi această energie, este necesar să se scadă energia mecanică a proiectilului înainte de explozie din suma energiilor mecanice ale fragmentelor după explozie. Vom folosi și legea conservării impulsului, scrisă sub forma teoremei cosinusului (metoda vectorială) sau sub formă de proiecții pe axele selectate.

Ciocniri cu o placă grea

Să întâlnim o farfurie grea care se mișcă cu viteză v, o minge ușoară de masă se mișcă m cu viteza u n. Deoarece impulsul mingii este mult mai mic decât impulsul plăcii, după impact viteza plăcii nu se va modifica și va continua să se miște cu aceeași viteză și în aceeași direcție. Ca urmare a impactului elastic, mingea va zbura departe de placă. Este important să înțelegeți aici că viteza mingii în raport cu placa nu se va modifica. În acest caz, pentru viteza finală a mingii obținem:

Astfel, viteza mingii după impact crește de două ori viteza peretelui. Raționament similar pentru cazul în care înainte de impact mingea și placa se mișcau în aceeași direcție duce la rezultatul că viteza mingii scade de două ori viteza peretelui:

În fizică și matematică, printre altele, trebuie îndeplinite trei condiții cele mai importante:

1. Studiați toate subiectele și finalizați toate testele și sarcinile oferite în materialele educaționale de pe acest site. Pentru a face acest lucru, nu aveți nevoie de nimic, și anume: dedicați trei până la patru ore în fiecare zi pregătirii pentru CT la fizică și matematică, studierii teoriei și rezolvării problemelor. Cert este că CT este un examen în care nu este suficient doar să cunoști fizică sau matematică, trebuie și să poți să-l rezolvi rapid și fără eșecuri. un numar mare de sarcini pentru subiecte diferiteși de complexitate variabilă. Acesta din urmă poate fi învățat doar prin rezolvarea a mii de probleme.
2. Învață toate formulele și legile din fizică și formulele și metodele din matematică. De fapt, acest lucru este și foarte simplu de făcut; există doar aproximativ 200 de formule necesare în fizică și chiar puțin mai puțin în matematică. La fiecare dintre aceste materii există aproximativ o duzină de metode standard de rezolvare a problemelor de un nivel de complexitate de bază, care pot fi, de asemenea, învățate, și astfel, complet automat și fără dificultate rezolvarea majorității CT la momentul potrivit. După aceasta, va trebui să te gândești doar la cele mai dificile sarcini.
3. Participați la toate cele trei etape ale testării de repetiții la fizică și matematică. Fiecare RT poate fi vizitat de două ori pentru a decide asupra ambelor opțiuni. Din nou, pe CT, pe lângă capacitatea de a rezolva rapid și eficient probleme și cunoașterea formulelor și metodelor, trebuie să fiți capabil să planificați corect timpul, să distribuiți forțele și, cel mai important, să completați corect formularul de răspuns, fără confuzând numărul de răspunsuri și probleme sau propriul nume de familie. De asemenea, în timpul RT, este important să te obișnuiești cu stilul de a pune întrebări în probleme, care poate părea foarte neobișnuit pentru o persoană nepregătită de la DT.

Implementarea cu succes, sârguincioasă și responsabilă a acestor trei puncte vă va permite să arătați un rezultat excelent la CT, maximul de care sunteți capabil.

Ați găsit o greșeală?

Dacă credeți că ați găsit o eroare în materialele de instruire, vă rugăm să scrieți despre aceasta pe e-mail. De asemenea, puteți raporta o eroare către rețea socială(). În scrisoare, indicați subiectul (fizică sau matematică), numele sau numărul temei sau testului, numărul problemei sau locul din text (pagină) în care, în opinia dumneavoastră, există o eroare. De asemenea, descrieți care este eroarea suspectată. Scrisoarea dvs. nu va trece neobservată, eroarea fie va fi corectată, fie vi se va explica de ce nu este o eroare.

Să presupunem că ne relaxăm la dacha și trebuie să luăm apă de la fântână. Coborâm găleata în ea, luăm apa și începem să o ridicăm. Ai uitat care este scopul nostru? Așa este: ia niște apă. Dar uite: ridicăm nu doar apa, ci și găleata în sine, precum și lanțul greu de care atârnă. Acest lucru este simbolizat de o săgeată în două culori: greutatea încărcăturii pe care o ridicăm este suma greutății apei și greutatea găleții și a lanțului.

Având în vedere situația calitativ, vom spune: împreună cu munca utilă de ridicare a apei, executăm și alte lucrări - ridicarea unei găleți și a lanțului. Desigur, fără lanț și găleată nu am fi capabili să tragem apă, dar din punctul de vedere al scopului final, greutatea lor ne „dăunează”. Dacă această greutate ar fi mai mică, atunci lucrare perfectă completă ar fi si mai mic (cu aceeasi utilitate).

Acum să trecem la cantitativ studiind aceste lucrări și introducând cantitate fizica, numit eficienţă.

Sarcină. Încărcătorul toarnă merele selectate pentru prelucrare din coșuri în camion. Masa unui coș gol este de 2 kg, iar merele din el sunt de 18 kg. Care este ponderea muncii utile a încărcătorului din munca sa totală?

Soluţie. Treaba completă este să muți merele în coșuri. Această lucrare constă în ridicarea merelor și ridicarea coșurilor. Important: ridicarea merelor este o muncă utilă, dar ridicarea coșurilor este „inutilă”, deoarece scopul muncii încărcătorului este de a muta doar merele.

Să introducem notația: Fя este forța cu care mâinile ridică doar merele în sus, iar Fк este forța cu care mâinile ridică doar coșul în sus. Fiecare dintre aceste forțe este egală cu forța gravitațională corespunzătoare: F=mg.

Folosind formula A = ±(F||· l) , „scriem” munca acestor două forțe:

Autil = +Fя · lя = mя g · h și А inutil = +Fк · lк = mк g · h

Lucrarea totală constă din două lucrări, adică este egală cu suma lor:

Afull = Auseful + Auseless = mя g h + mк g h = (mя + mк) · g h

În problemă ni se cere să calculăm ponderea muncii utile a încărcătorului din munca sa totală. Să facem asta împărțind munca utilă la total:

În fizică, astfel de cote sunt de obicei exprimate în procente și notate cu litera greacă „η” (a se citi: „aceasta”). Ca rezultat obținem:

η = 0,9 sau η = 0,9 100% = 90%, care este același.

Acest număr arată că din 100% din munca totală a încărcătorului, ponderea muncii sale utile este de 90%. Problema este rezolvată.

Mărimea fizică egală cu raportul iyu munca utilă la o muncă totală perfectă, în fizică are propriul nume - eficiență - eficienţă:

După calcularea eficienței folosind această formulă, aceasta este de obicei înmulțită cu 100%. Și invers: pentru a înlocui eficiența în această formulă, valoarea acesteia trebuie convertită din procent în zecimal, împărțind la 100%.

COEFICIENTUL DE EFICIENȚĂ (eficiența) este o caracteristică a eficienței unui sistem (dispozitiv, mașină) în raport cu conversia energiei; este determinată de raportul dintre energia utilizată util (transformată în muncă în timpul unui proces ciclic) și cantitatea totală de energie transferată în sistem.

Eficienţă

(eficiență), o caracteristică a eficienței unui sistem (dispozitiv, mașină) în raport cu conversia sau transmiterea energiei; determinat de raportul dintre energia utilizată util și cantitatea totală de energie primită de sistem; de obicei notat cu h = Wpol/Wcym.

La motoarele electrice, randamentul este raportul dintre munca mecanica (utila) efectuata si energia electrica primita de la sursa; în motoarele termice ≈ raportul dintre lucrul mecanic util și cantitatea de căldură consumată; la transformatoarele electrice, raportul dintre energia electromagnetică primită în înfășurarea secundară și energia consumată de înfășurarea primară. Pentru a calcula randamentul diferitelor tipuri de energie si munca mecanica exprimat în unități identice bazate pe echivalentul mecanic al căldurii și alte relații similare. Datorită comunității sale conceptul de eficienta vă permite să comparați și să evaluați dintr-un singur punct de vedere sisteme atât de diferite precum reactoare nucleare, generatoare și motoare electrice, centrale termice, dispozitive semiconductoare, obiecte biologice etc.

Din cauza pierderilor de energie inevitabile datorate frecării, încălzirii corpurilor înconjurătoare etc., eficiența este întotdeauna mai mică decât unitatea. În consecință, eficiența este exprimată ca o fracțiune din energia cheltuită, adică ca o fracție adecvată sau ca procent, și este o cantitate adimensională. Eficiența centralelor termice ajunge la 35-40%, motoarele cu ardere internă ≈ 40-50%, dinamo și generatoare de mare putere ≈95%, transformatoare ≈98%. Eficiența procesului de fotosinteză este de obicei de 6≈8%, în chlorella ajunge la 20≈25%. Pentru motoarele termice, datorită celei de-a doua legi a termodinamicii, randamentul are o limită superioară determinată de caracteristicile ciclului termodinamic (proces circular) pe care îl suferă substanța de lucru. Ciclul Carnot are cea mai mare eficiență.

Există o distincție între eficiența unui element (etapă) individual al unei mașini sau dispozitiv și eficiența care caracterizează întregul lanț de transformări energetice din sistem. Eficiența primului tip, în conformitate cu natura conversiei energiei, poate fi mecanică, termică etc. Al doilea tip include eficiență generală, economică, tehnică și alte tipuri. Eficiența globală a sistemului este egală cu produsul eficiențelor parțiale sau eficiențelor de etapă.

În literatura tehnică, eficiența este uneori definită în așa fel încât poate fi mai mare decât unitatea. Situație similară apare dacă eficiența este determinată de raportul Wpol/Wcost, unde Wpol ≈ energia utilizată primită la „ieșirea” sistemului, Wcost ≈ nu toată energia care intră în sistem, ci doar acea parte a acesteia pentru care sunt suportate costuri reale . De exemplu, atunci când funcționează încălzitoare termoelectrice cu semiconductor (pompe de căldură), consumul de energie electrică cantitate mai mica căldură generată de termoelement. Excesul de energie este extras din mediu inconjurator. În acest caz, deși eficiența reală a instalației este mai mică decât unitatea, randamentul considerat h = Wpol/Wloss se poate dovedi a fi mai mare decât unitatea.

Lit.: Artobolevsky I.I., Teoria mecanismelor și mașinilor, ed. a II-a, M.≈L., 1952; Ingineria generală a căldurii, ed. S. Ya. Kornitsky și Ya. M. Rubinshtein, ed. a 2-a, M.≈L., 1952; Electrotehnică generală, M.≈L., 1951; Vukalovich M.P., Novikov I.I., Termodinamică tehnică, ed. a IV-a, M., 1968.

Wikipedia

Eficienţă

Eficienţă (Eficienţă) - o caracteristică a eficienței sistemului în raport cu conversia sau transmiterea energiei. Este determinată de raportul dintre energia utilizată util și cantitatea totală de energie primită de sistem; de obicei notat cu η. Eficiența este o mărime adimensională și este adesea măsurată ca procent.

În viață, o persoană se confruntă cu o problemă și cu nevoia de a se transforma tipuri diferite energie. Dispozitivele care sunt concepute pentru a transforma energia se numesc mașini energetice (mecanisme). Mașinile energetice, de exemplu, includ: un generator electric, un motor cu ardere internă, Motor electric, motor cu abur etc.

În teorie, orice tip de energie poate fi complet convertit într-un alt tip de energie. Dar, în practică, pe lângă transformările de energie, în mașini apar și transformări de energie, care se numesc pierderi. Perfecțiunea mașinilor energetice determină coeficientul de performanță (eficiență).

DEFINIȚIE

Eficiența mecanismului (mașinii) numit raportul dintre energia utilă () și energia totală (W) care este furnizată mecanismului. De obicei, eficiența este indicată de litera (eta). În formă matematică, definiția eficienței se va scrie după cum urmează:

Eficiența poate fi definită în termeni de muncă, ca raport (munca utilă) și A (munca totală):

În plus, poate fi găsit ca raport de putere:

unde este puterea furnizată mecanismului; - puterea pe care consumatorul o primeste de la mecanism. Expresia (3) poate fi scrisă diferit:

unde este partea din putere care se pierde în mecanism.

Din definițiile eficienței este evident că nu poate fi mai mult de 100% (sau nu poate fi mai mult de unul). Intervalul în care se situează randamentul: .

Factorul de eficiență este utilizat nu numai în evaluarea nivelului de perfecțiune al unei mașini, ci și în determinarea eficienței oricărui mecanism complex și a tuturor tipurilor de dispozitive care consumă energie.

Ei încearcă să realizeze orice mecanism astfel încât pierderile inutile de energie să fie minime (). În acest scop, ei încearcă să reducă forțele de frecare (diverse tipuri de rezistență).

Eficiența conexiunilor mecanismelor

Atunci când se ia în considerare un mecanism (dispozitiv) complex structural, se calculează eficiența întregii structuri și eficiența tuturor componentelor și mecanismelor sale care consumă și convertesc energie.

Dacă avem n mecanisme care sunt conectate în serie, atunci eficiența rezultată a sistemului se găsește ca produsul eficienței fiecărei părți:

Când mecanismele sunt conectate în paralel (Fig. 1) (un motor acţionează mai multe mecanisme), munca utilă este suma lucrări utile la ieșirea din fiecare parte individuală a sistemului. Dacă munca cheltuită de motor este notată cu , atunci eficiența în acest caz va fi găsită ca:

Unitati de eficienta

În cele mai multe cazuri, eficiența este exprimată ca procent.

Exemple de rezolvare a problemelor

EXEMPLUL 1

EXEMPLUL 2

Lucrul efectuat de motor este:

Acest proces a fost considerat pentru prima dată de inginerul și omul de știință francez N. L. S. Carnot în 1824 în cartea „Reflecții asupra forta motrice foc și despre mașini capabile să dezvolte această forță”.

Scopul cercetării lui Carnot a fost acela de a afla motivele imperfecțiunii motoarelor termice de atunci (aveau o eficiență ≤ 5%) și de a găsi modalități de îmbunătățire a acestora.

Ciclul Carnot este cel mai eficient dintre toate. Eficiența sa este maximă.

Figura prezintă procesele termodinamice ale ciclului. În timpul expansiunii izoterme (1-2) la temperatură T 1 , munca se realizează datorită unei modificări a energiei interne a încălzitorului, adică datorită furnizării de căldură a gazului Q:

A 12 = Q 1 ,

Răcirea gazului înainte de comprimare (3-4) are loc în timpul expansiunii adiabatice (2-3). Schimbarea energiei interne ΔU 23 în timpul unui proces adiabatic ( Q = 0) este complet transformată în lucru mecanic:

A 23 = -ΔU 23 ,

Temperatura gazului ca urmare a expansiunii adiabatice (2-3) scade la temperatura frigiderului T 2 < T 1 . În procesul (3-4), gazul este comprimat izotermic, transferând cantitatea de căldură la frigider. Î 2:

A 34 = Q 2,

Ciclul se încheie cu procesul de compresie adiabatică (4-1), în care gazul este încălzit la o temperatură T 1.

Valoarea maximă a eficienței motoarelor termice pe gaz ideal în funcție de ciclul Carnot:

.

Esența formulei este exprimată în dovedit CU. teorema lui Carnot că eficienţa oricărui motor termic nu poate depăși eficiența ciclului Carnot efectuat la aceeași temperatură a încălzitorului și a frigiderului.